Luz de humor animada y luz nocturna: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Con una fascinación que roza la obsesión por la luz, decidí crear una selección de pequeños PCB modulares que podrían usarse para crear pantallas de luz RGB de cualquier tamaño. Habiendo hecho el PCB modular, se me ocurrió la idea de organizarlos en un hexágono para crear una pantalla 3D que podría usarse para crear cualquier cosa, desde una simple luz de noche para el dormitorio hasta una luz ambiental que no estaría demasiado fuera de lugar sentada en una mesa. en un restaurante de alta gama.

Por supuesto, también se podrían crear otras formas utilizando los mismos principios.

Estas son algunas de las animaciones que se están ejecutando actualmente en la luz.

• Fuego
• Lluvia
• Serpiente (Retro)
• Juego de vida
• Oscilaciones de forma de onda
• Faro
• Patrones de hilado (peluquería)

La luz se crea actualmente en dos tamaños: pequeña (96 LED) y grande (384 LED), pero esto se puede ampliar según sea necesario.

Suministros

LED WS2812B - AliExpress

PCB - ALLPCB

Plástico negro cortado con láser de 3 mm - Proveedor de láminas de plástico

Filamento de impresión 3D blanco - Amazon

Componentes electrónicos - Farnell / Newark

Pernos M3 y espaciadores roscados - Amazon

Soldador

Horno tostador: conjunto de componentes de montaje en superficie

Paso 1: PCB del panel

Al comenzar el viaje, quería una gama de PCB pequeños que pudieran albergar varios píxeles LED y unirse de una manera muy simple sin la necesidad de cables o conectores adicionales. Se me ocurrió un diseño muy simple que permitía encadenar los LED WS2812B y luego pasar la cadena al siguiente PCB.

Creé tres PCB con las siguientes dimensiones de píxeles.

• 1 x 8 - 9 mm x 72 mm
• 4 x 4 - 36 mm x 36 mm
• 8 x 8 - 72 mm x 72 mm

Para este proyecto, solo se utilizan los tableros 4x4 y 8x8 para crear las luces.

Los LED están dispuestos en una cuadrícula de 9 mm en las dimensiones X e Y, que está bastante unida pero proporciona suficiente espacio para trabajar cuando se tienen en cuenta los conectores de borde de PCB. Los PCB se crean para que cuando se unen se mantenga la rejilla LED de 9 mm. Los PCB se conectan simplemente entre sí mediante soldadura fluida de una placa a la siguiente.

Cada LED tiene su propio condensador de 100nF para el desacoplamiento eléctrico y para ayudar a suministrar corriente al LED a pedido.

Se muestra el esquema de la placa de 4x4 píxeles completa con las capas de cobre superior e inferior para ilustrar tanto el diseño del LED como el diseño del conector de borde. Se agregaron marcas a la pantalla de seda para que sea obvia la dirección de la transferencia de datos entre los conectores.

Las placas también cuentan con orificios de montaje M3 en un paso de 18 mm por 18 mm para simplificar el montaje y fortalecer las conexiones entre placas.

Agregar una lámina acrílica blanca lechosa de 3 mm cortada con láser, como se muestra, proporciona un agradable efecto difuso a los LED.

Las placas se fabricaron mediante la aplicación de pasta de soldadura a las almohadillas de montaje de superficie de cobre inferiores utilizando una plantilla. Luego coloqué los componentes en la placa para verificar la orientación correcta antes de hornear en mi horno tostador para que fluya la soldadura. He cubierto este tipo de fabricación de PCB de bajo costo de bricolaje en varias de mis otras compilaciones de Instructables.

Advertencia: NO USE ningún horno que se utilice con alimentos para cocinar PCB, ya que esto puede provocar alimentos contaminados. Compré mi horno tostador con PCB por £ 10 ($ 15) en eBay.

Paso 2: PCB de control

Una vez terminados los LED, quería tener la capacidad de controlar los LED desde un microcontrolador. Comencé usando un Arduino nano y funcionó muy bien, pero quería agregar más funcionalidad a la luz y esto se volvió cada vez más incómodo de piratear la placa Arduino. Por lo tanto, decidí crear otro PCB personalizado para impulsar la luz.

Estas son algunas de las características que agregué a mi placa controladora.

• Microcontrolador de mayor velocidad con más ROM y RAM.
• FET de nivel lógico para permitirme encender y apagar globalmente los LED, lo que es útil cuando se enciende y para un funcionamiento de baja potencia.
• Búfer de alta velocidad para convertir la señal 3V3 del microcontrolador a 5V para impulsar los LED.
• Cambie para permitir que el usuario controle la luz.
• Foto transistor: para escalar el brillo de los LED para adaptarse a los niveles de luz ambiental.
• Supervisión de la fuente de alimentación: para asegurarnos de que no intentamos extraer más corriente de la que puede proporcionar la fuente de alimentación.
• Conector Bluetooth - HC05 / HC06.
• Conector WIFI - ESP8266.
• Conector I2C.
• Conector de expansión futura.

Se muestra el esquema de la placa, así como las capas de cobre superior e inferior. El documento BillOfMaterials adjunto enumera los componentes que instalé en la PCB de control.

Un sensor de luz es bastante importante para el diseño, ya que el brillo de los LED WS2812B puede volverse demasiado rápido para mirar e incluso doloroso a pleno brillo. Tener un sensor de luz permite que el brillo del LED se escale automáticamente, lo que significa que la pantalla siempre es agradable de ver. Vivo en una habitación iluminada por el sol y, sin embargo, cómodo de ver como una luz nocturna en una habitación oscura.

Nuevamente, para construir la placa, se aplicó la pasta de soldadura usando una plantilla, los componentes se colocaron a mano con pinzas y luego se hornearon en mi confiable horno tostador.

La placa de circuito impreso se alimenta a través de una fuente de alimentación de 5 V CC, que puede provenir directamente de una fuente de alimentación de red o mediante una toma de cargador USB de 2 A.

También se muestra mi intento anterior de usar un Arduino.

Paso 3: esqueleto impreso en 3D

Originalmente jugué con el uso de láminas de plástico cortadas con láser como difusores, pero esto dejó un espacio bastante feo entre cada uno de los paneles. Terminé imprimiendo en 3D el difusor circundante, ya que esto me permitió crear una bonita envoltura perfecta para los seis PCB LED. También me permitió disminuir enormemente el grosor del difusor, lo que proporciona una visualización general mucho más nítida.

Internamente, las seis PCB LED se mantienen juntas mediante un esqueleto impreso en 3D. Este esqueleto se introduce en los distintos orificios M3 de los PCB de la pantalla y los sujeta en un bonito patrón hexagonal.

El esqueleto impreso en 3D también presenta orificios para permitir que la PCB de control se monte cerca del panel superior cortado con láser, lo que permite que el interruptor sea accesible y que el sensor de luz obtenga una buena lectura del nivel de luz ambiental.

Con las placas en posición entre el esqueleto y el difusor, puedo soldar fácilmente las placas entre sí haciendo fluir la soldadura entre las almohadillas de conexión de la PCB. Empiezo agregando soldadura a la almohadilla más alejada y luego giro la luz en su borde para permitir que la gravedad ayude con el acto de hacer fluir la soldadura hacia la almohadilla contigua. Repita para las tres conexiones y luego pase a la siguiente conexión de placa a placa. En la sexta unión entre PCB, solo conecto los rieles de alimentación y de tierra, dejando la conexión de datos desconectada. Esto proporciona dos rutas de corriente circulares para que cada placa recolecte su energía de manera similar a cómo funciona un anillo principal para el cableado de la red interna de su casa.

La impresora 3D también utiliza algunos espaciadores para permitir que los paneles cortados con láser superior e inferior se mantengan bien en su lugar.

Los archivos de la impresora 3D se diseñaron con Sketchup y se adjunta la fuente.

Paso 4: Corte superior e inferior con láser

Las piezas cortadas con láser son formas hexagonales muy simples con orificios en el lugar correcto para los pernos de montaje.

El panel superior cuenta con un pequeño orificio para el sensor de luz y otro orificio más grande para el interruptor de empuje. Mientras que el panel inferior cuenta con un orificio para el cable de alimentación USB, así como dos orificios pequeños para permitir el uso de una banda de sujeción para proporcionar alivio de tensión para el cable.

Los dibujos de estas partes se incluyen en el archivo de Sketchup en el paso anterior.

Paso 5: firmware

Elegí el dispositivo PIC24FJ256GA702 como mi microcontrolador principal, ya que funciona bastante rápido hasta 32MHz usando su oscilador interno y tiene toneladas de memoria de programa y RAM disponibles para crear animaciones agradables.

Para desarrollar el firmware, utilicé Flowcode, ya que me permitió simular y depurar el código a medida que avanzaba, lo que ayudó a producir un código agradable y eficiente que se ejecuta a alta velocidad. Flowcode está disponible de forma gratuita completamente desbloqueado durante 30 días y, después de eso, puede optar por comprar o simplemente registrarse de nuevo en la versión de prueba. También tiene una comunidad en línea agradable que está dispuesta a colaborar y ayudar en caso de que golpee alguna pared en el camino. Dicho esto, todo el software se podría hacer usando el IDE de Arduino o similar, simplemente perdería la capacidad de simular.

Usé un PICkit 3 para programar el PIC a bordo de mi PCB de control. Esto se puede integrar en Flowcode para que se compile y programe a través del PICkit con un solo clic del mouse, similar al botón de descarga en Arduino.

El microcontrolador que elegí no tenía EEPROM incorporada, lo que inicialmente fue un problema, ya que quería guardar el modo de animación seleccionado actualmente. Sin embargo, tenía memoria flash programable por el usuario, por lo que pude lograr esta funcionalidad de una manera indirecta.

Se adjunta el programa Flowcode que creé. La ventana de propiedades le permite seleccionar el tamaño de la placa de visualización utilizada. es decir, 4x4 u 8x8 y esto configura una carga de parámetros como el número de LED, etc., que luego controlan las diversas animaciones para que un programa pueda usarse en ambos tamaños de pantalla.

La interfaz de usuario de la luz es bastante simple. Presione el interruptor durante menos de tres segundos y la luz se moverá al siguiente modo. Antes de que comience cada modo, el índice de modo se muestra en cada panel LED. Presione el interruptor durante más de tres segundos y la luz se apaga. Al presionar más el interruptor, la luz se volverá a encender y volverá al modo seleccionado anteriormente. Una pérdida de energía en la luz resultará en que la luz reanude su operación actual cuando se restablezca la energía, incluido el estado de encendido / apagado.

Estos son los diversos modos de animación que la luz puede hacer actualmente con el firmware actual.

1. Mancha de color: colores mezclados en anillos
2. Juego de la vida: simulación basada en formas de vida
3. Patrones giratorios: patrones animados de 2, 3 o 4 colores
4. Generador de ondas - Ondas sinusoidales de colores
5. Color fijo: seis paneles individuales de color que giran
6. Sombra: colores de panel animados Todos / Individual
7. Faro - Panel simple giratorio
8. Anillos - Anillos horizontales animados
9. Fuego - Efecto de fuego animado
10. Lluvia - Efecto de lluvia de colores animados
11. Fuegos artificiales: efecto de fuegos artificiales de colores animados
12. Desplazamiento: efecto de desplazamiento animado
13. Serpiente - Batallas de serpientes retro animadas
14. Serpientes: serpientes giratorias animadas
15. Aleatorio: modos 1 a 14 con transición lenta (aproximadamente 60 segundos)
16. Aleatorio: modos 1 a 14 con transición rápida (aproximadamente 30 segundos)

Cada modo tiene uno o más elementos aleatorios, incluida la velocidad de animación y otros parámetros. Algunos modos también cuentan con elementos aleatorios que pueden desplazarse o variar con el tiempo, lo que permite animaciones más dinámicas. Por ejemplo, el fuego tiene una cantidad aleatoria de combustible que se agrega en cada ciclo, esta cantidad tiene límites superior e inferior fijos. Con el tiempo, estos límites pueden aumentar o disminuir, lo que permite que la intensidad del fuego llene la pantalla o se hunda solo en los pocos píxeles inferiores.

Paso 6: conectividad

La placa de control se conecta a la fuente de alimentación mediante un cable USB A o un cable de toma de CC, los cuales se pueden comprar a precios muy bajos en sitios como eBay.

La placa de control se conecta a la toma IN desconectada de la placa de la pantalla mediante un conector de borde accesible y un cable plano de servo estándar de 3 vías.

Las placas superior e inferior cortadas con láser se mantienen en su posición utilizando pernos de cabeza plana M3 y espaciadores roscados M3.

Actualizaciones futuras

Tener la opción de agregar Bluetooth y WIFI a mi tablero de control permite futuras actualizaciones, como actualizaciones de animación e integración inteligente con cosas como Amazon Alexa a través de servicios en línea como ITTT. Esto es algo que estoy investigando actualmente.

Sería bueno poder configurar el color de la lámpara, el modo de animación o incluso mostrar un mensaje de texto simplemente hablando con su asistente inteligente.

Gracias por mirar mi construcción y espero haberte inspirado a seguir mis pasos o crear algo similar.

Finalista en el concurso Make it Glow